1950年，Thornton Read和发明晶体管的William Bradford Shockley（1910—1989年）发现晶界两侧晶粒的取向差有如图10.2（a）所示的关系。但美国冶金学家Paul Shewmon研究后认为晶粒的取向差达到某个值时，晶界能可能存在一个极小值。他于1965年预测分散在单晶平面上的一个单晶小球会在平面上滚动，直至达到一个特殊取向，以使烧结形成的晶界能达到最低（单晶平面与单晶小球是同种金属）。

图10.2　（a）晶界相对自由能随晶粒取向的变化，其中实线为理论曲线，实心点数据为实验测试值；（b）Cu晶界相对于［100］的各种取向差与晶界相对自由能的关系（引自Cahn，2008）

1976年，Herrmann等将直径大约为0.1 mm的Cu晶体小球放到单晶Cu板上。Cu板表面平行于一个简单晶面，结果显示在1060℃保温几百小时后，小球都烧结到了Cu板上，而且XRD数据表明约8000个小球都具有完全相同的取向。后来，其他人的实验也表明晶界能随取向差的变化与图10.2（a）不同，而是图10.2（b）所示的情形。这些实验证实了晶界能在某个晶粒取向上存在局部极小值。在烧结过程中，粉末与空气的表面被某个取向且具有更低能量的晶界所取代，从而达到烧结的目的。图10.3和图10.4为实际烧结后的小球。这两个电镜照片显示粉末与空气的表面确实被晶界所取代了，故Herrmann等的实验揭示了过剩表面能与晶界能之差是烧结的驱动力。(www.daowen.com)

图10.3　烧结在Cu板上的Cu球电镜照片（引自Cahn，2008）

图10.4　Cu颗粒烧结后的截面（颈缩处为晶界）（引自Cahn，2008）